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  • Foto do escritorLívia Meneses

A Química por trás da Energia Solar e dos Sistemas Fotovoltaicos

Você com certeza já deve ter visto aqueles paineis solares (Figura 1) nos telhados de alguma casa e, sem dúvidas, já ouviu sobre a energia solar e seu caráter sustentável. Entretanto, já parou para pensar em como esses paineis funcionam e como eles convertem a luz solar em energia elétrica para ligar lâmpadas e eletrodomésticos?


Figura 1: Painéis de energia solar posicionados no telhado de uma residência


Primeiramente, segundo uma matéria do protal G1, para o Jornal Nacional, em 2023, a energia solar vem ganhando cada vez mais força na matriz elétrica brasileira, correspondendo a quase 15%. Além de possuir mais vantagens que outras fontes tradicionais de energia elétrica, como carvão e gás, a redução dos custos de implantação em projetos solares (devido sua produção em massa, incentivo governamental e concientização ambiental) faz com que a energia solar se torne a forma mais viável e benéfica na produção de eletricidade. Esse modelo de geração de energia, produzido através do uso do sol, é considerado inesgotável do ponto de vista humano (já que a quantidade de energia fornecida pelo sol é praticamente infinita), trazendo um potencial extraordinário comparado com outras fontes de energia. 


Geração de energia elétrica através dos painéis solares


Nos painéis solares, também conhecidos como painéis fotovoltaicos, a energia elétrica é obtida através da conversão direta da luz por meio do efeito fotovoltaico. Esse efeito, relatado por Edmond Becquerel, em 1839, determina o aparecimento de uma diferença de potencial entre os extremos de uma estrutura de material semicondutor a partir da absorção da luz. O primeiro aparato fotovoltaico foi montado em 1876 e apenas em 1956, iniciou-se a produção industrial. A unidade fundamental do processo de conversão é a célula fotovoltaica (Figura 2) e o conjunto de células forma os painéis fotovoltaicos.


Figura 2: Composição de uma célula fotovoltaica


Os materiais semicondutores, os quais conduzem a corrente elétrica, e cuja resistividade diminui quando a temperatura é elevada, e há a presença de impurezas, são caracterizados pela presença de bandas de energia por onde elétrons podem fluir. Dentre elas, temos a “banda de valência”, que é lar dos elétrons mais externos do átomo e determina se o material é isolante, condutor ou semicondutor. Acima dela, há a “banda de condução”, a via por onde os elétrons "fluem" em condutores e semicondutores, com propriedades definidas pela “banda proibida”, localizada entre as duas bandas citadas anteriormente. Essas células fotovoltaicas partem do princípio de que os fótons incidentes, ao colidir com os átomos dos materiais semicondutores, fazem com que os elétrons ganhem energia, um processo denominado “excitação”, e assim sejam  deslocados para um orbital atômico mais externo. Esses orbitais funcionam como “casas” ou “subcamadas” de energia dos elétrons dentro do átomo, com formatos e energias específicos, distribuídos de acordo com o Princípio de Aufbau e a Regra de Hund. Se esta energia sobressalente puder ser capturada antes de o elétron retornar ao seu orbital atômico original , ela pode ser aproveitada para gerar corrente elétrica.


A Teoria de Bandas (Figura 3), citada acima, explica as propriedades dos materiais condutores, semicondutores e isolantes. Nos semicondutores, a banda de valência está completamente cheia e a banda de condução, vazia, possibilitando a movimentação de elétrons responsável pela condução de eletricidade. Quando a luz é incidida sobre a superfície do material semicondutor, a energia do fóton deve ser maior ou igual à energia do gap — uma região de energia onde elétrons não podem existir, que funciona como um “vão” entre as bandas de valência e de condução — para que surja uma tensão elétrica.


Figura 3: Imagem ilustrativa da Teoria de Bandas, sendo a “Banda Proibida” o “gap” entre as demais Bandas


Dos vários materiais semicondutores encontrados na Terra, o mais utilizado é o silício, pois seus átomos possuem quatro elétrons na camada de valência (Figura 4), que fazem ligação com os elétrons do átomo vizinho, formando assim uma rede cristalina. À essa rede cristalina, são adicionados elementos com cinco elétrons de ligação e elementos com três elétrons de ligação. Os primeiros possuem um elétron que está ligado fracamente ao seu átomo de origem, facilitando, com a utilização de pouca energia térmica, que ele se desligue do átomo e fique livre. 


Figura 4: Distribuição eletrônica do Silício (Si) com as camadas eletrônicas em forma orbital


O elemento principal da geração de energia solar é a célula, pois seu objetivo é captar a luz solar e converter a energia em corrente contínua no sistema fotovoltaico. As células mais fabricadas e usadas no mercado são as de silício. Quando unidas numa placa, cada uma gera uma tensão elétrica e, associando-as em série ou em paralelo, conseguimos a produtividade de um painel solar. Contudo, para que a energia possa ser transportada, ela passa por um inversor, que transforma a corrente contínua em corrente alternada, assim possibilitando a distribuição para o local em que será usada, como indústria, residência ou outros.Existe também um relógio que tem como objetivo controlar a entrada e o retorno de energia do local onde o painel é instalado (Figura 5).




Figura 5: Funcionamento de um sistema fotovoltaico em uma residência



Tipos de Silício (Si) utilizados na fabricação de células fotovoltaicas


Silício Monocristalino (Figura 6): As células feitas com este material são historicamente as mais utilizadas e comercializadas como conversor direto de energia solar em eletricidade. As células são formadas em fatias de um único grande cristal, previamente crescido e fatiado. A grande experiência e tradição desta fabricação e a pureza do material garante alta confiabilidade e alta eficiência do produto. Enquanto o limite teórico de conversão da luz solar em energia elétrica para esta tecnologia é de 27%, valores nas faixas de 12 a 16% são encontrados em produtos comerciais. Essa tecnologia, porém, devido às quantidades de material utilizado e à energia envolvida na sua fabricação,  apresenta sérias barreiras para a redução de custos, mesmo em grandes escalas de produção.


Figura 6: Célula de Silício monocristalino


Silício Policristalino (Figura 7): Estas células são fabricadas a partir do mesmo material que o silício monocristalino mas, ao invés de utilizar-se um único grande cristal, solidifica-se um bloco composto de diversos pequenos cristais. A partir deste bloco, são obtidas fatias e fabricadas as células. A presença de interfaces entre os vários cristais reduz um pouco a eficiência dessas células, porém, na prática, os produtos disponíveis alcançam eficiências muito próximas das oferecidas em células monocristalinas.


Figura 7: Célula de Silício policristalino



Silício Amorfo (Figura 8): Uma célula de silício amorfo se difere das demais estruturas cristalinas por apresentar alto grau de desordem na estrutura dos átomos. A utilização desse tipo de silício para a fabricação das células fotovoltaicas possui algumas vantagens, tanto nas propriedades elétricas quanto no processo de fabricação. Como pode ser fabricado com a deposição de vários tipos de substratos, esse tipo de silício possui um baixo custo se comparado aos outros dois tipos citados acima. Porém, as desvantagens do silício amorfo estão na baixa eficiência de conversão da energia luminosa se comparado com as células mono e policristalinas. Ainda, ocorre um processo mais acelerado de degradação da estrutura, reduzindo a vida útil da célula.


Figura 8: Célula de Silício amorfo


Crescimento de energia solar no cenário nacional 


Segundo a Agência Internacional de Energia Renovável (International Renewable Energy Agency), no site Portal Solar, os países Estados Unidos, Japão, Alemanha e China estão na liderança da lista mundial de países com maior potencial instalado de energia fotovoltaica. Para quem já está familiarizado com tais países, sabe que é muito comum encontrar pelas ruas das cidades painéis instalados na maioria das residências. Essa produção da própria energia espalhou-se também por quase todo continente Europeu, tendo em vista as vantagens desta modalidade energética. 


O Brasil, de acordo com a revista Núcleo do Conhecimento, não possuía regulamentação para produção de energia solar antes de 2012, por isso ficava muito atrás desses países desenvolvidos. Em 17 de abril de 2012, foi permitido o acesso aos sistemas de microgeração e de minigeração em complemento com a energia elétrica nacional, através das normas criadas na resolução 482 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) Esse ato fez com que todo consumidor cadastrado com CPF ou CNPJ ativo tenha liberdade para conectar seu próprio sistema de geração de energia a partir de fontes renováveis, paralelamente às redes de distribuição das concessionárias. 


A ANEEL indica que, devido a essa liberação de energias renováveis para consumidores ativos, o Brasil teve um crescimento espantoso com o número de sistemas instalados. Em 2012 eram apenas 7 sistemas solares instalados,que cresceram para 110.997 sistemas instalados no ano em todo o país, entre mini e microgeradores. Em 2020, atingiu-se a marca de mais de 1 milhão. E, em 2023, o número de sistemas solares chegou a mais de 3 milhões de painéis.


Vantagens e desvantagens dos painéis de energia fotovoltaicos


A energia fotovoltaica utiliza a luz solar como fonte energética para a produção de eletricidade. Desse modo, ela é muito vantajosa por ser uma fonte de energia limpa e renovável, com baixos custos de manutenção, trazendo benefícios ambientais, econômicos e sociais. Entre as suas desvantagens, está a falta de produção durante o período noturno, onde não há luz solar. 


Esse sistema energético tem também, como benefício, seu simples modo de instalação em residências, gerando uma economia de até 95% em contas de luz. É um sistema que ocupa muito pouco espaço, facilitando demais sua implantação em diferentes áreas, tanto urbanas quanto áreas rurais, e também uma alternativa para lugares onde ainda não há distribuição de energia elétrica por meio das concessionárias. 


Como mencionado, a energia solar é 100% renovável, uma vez que a luz do sol é uma fonte de energia constante. Dos recursos renováveis como energia eólica, hídrica e solar, ela é a mais consistente e previsível. Não só isso, mas seu sistema de funcionamento não oferece nenhum ruído, ou seja, não há poluição sonora. É também uma energia que não polui o meio ambiente. O sistema praticamente não precisa de manutenção, seus painéis duram em média 25 anos apenas com limpezas anuais. Com tudo isso em mente, percebe-se que a energia solar tem um ótimo custo benefício, especialmente considerando o tempo de vida útil do painel e a quantidade de energia elétrica produzida. Por isso, a instalação vem crescendo em busca de uma redução substancial dos custos das contas de luz durante os anos de uso. 


As principais desvantagens, por sua vez, são poucas e se prendem muito ao fato de que o sistema fotovoltaico não funciona durante o período da noite. Seu alto custo de implantação, de imediato, também pode ser um problema, devido ao custo elevado das células e painéis solares, porém, quando observa-se o custo de manutenção a longo prazo, os valores de investimento inicial são compensados. Existem algumas linhas de financiamento desses sistemas, mas os juros abusivos fazem disso outro empecilho para implantação. Outra desvantagem para o povo brasileiro é a falta de incentivo fiscal do governo, que faz com que essa solução energética seja pouco acessível em comparação com outras modalidades como a hidrelétrica e a eólica. 



Conclusão


Apesar de a energia solar ainda não ser a maior fonte de energia utilizada no nosso país devido ao valor pouco acessível para a maioria da população brasileira, é evidente que, a longo prazo, essa situação pode mudar. Isso se dá não somente em função dos dados estimativos, mas também porque é perceptível que a utilização dos sistemas fotovoltaicos seria uma maneira de cuidado com o meio ambiente: não emitem gases poluentes que possam afetar os ecossistemas, em contraste com outras formas de geração de energia.







REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS


[01] ANEEL – AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Relatório Aneel 2013. Acesso em: 14 maio 2024.


[02] Energia solar já responde por quase 15% da matriz elétrica brasileira. Disponível em: <https://g1.globo.com/jornal-nacional/noticia/2023/08/16/energia-solar-ja-responde-por-quase-15percent-da-matriz-eletrica-brasileira.ghtml>. Acesso em: 16 maio. 2024.


[03] GUNERHAN, H.; HEPBASLI, A.; GIRESUNLU, U. Environmental Impacts from the Solar Energy Systems. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, v. 31, n. 2, p. 131–138, 2 dez. 2008.


[04] MATAVELLI, A. UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA -EEL USP Energia solar: geração de energia elétrica utilizando células fotovoltaicas. [s.l: s.n.]. Disponível em: <https://sistemas.eel.usp.br/bibliotecas/monografias/2013/MEQ13015.pdf>


[05] SEGUNDO DA SILVA, M. et al. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA: REVISÃO BIBLIOGRAFICA. Revista Mythos, v. 14, n. 2, p. 51–61, 2021.


[06] TÉCNICO-ECONÔMICA, C. E. V. Energia Solar Fotovoltaica : Disponível em: <https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/56337/mod_resource/content/2/Apostila_solar.pdf>. Acesso em: 14 maio. 2024.


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